微生物在油菜秸稈資源化中的應(yīng)用研究進(jìn)展

李 豪，鄒 偉

（四川理工學(xué)院生物工程學(xué)院，四川自貢 643000）

油菜是我國重要的經(jīng)濟(jì)作物之一，2016年我國油菜種植面積已達(dá)710萬hm2，油菜籽產(chǎn)量約為 1400萬 t（陳艷軍，2017），油菜秸稈年產(chǎn)量約為3780萬t[按油菜草谷比2.7（畢于運(yùn)，2010）推算]。由于體積大、重量輕，收獲時(shí)間通常與水稻種植相沖突等因素，油菜秸稈常常被直接丟棄和焚燒處理（張蓓蓓等，2017）。廢棄秸稈不僅占用土地空間、浪費(fèi)資源，而焚燒后可能會加重部分地區(qū)霧霾污染（汪玉芳，2013）。研究表明：油菜秸稈含有多種營養(yǎng)物質(zhì)和微量元素 （牛文娟，2015），具有巨大的資源潛力（表1）。因此，油菜秸稈的資源化利用勢在必行。目前，油菜秸稈資源化處理方法多種多樣，常見的有：物理處理法如制作燃料碳，化學(xué)處理法如氨化處理，生物處理法如腐熟還田、發(fā)酵產(chǎn)秸稈飼料、食用菌基料和污水處理 （韋波，2015；劉標(biāo)等，2014；饒嬋，2012）等。這其中生物處理法以其高效率、低成本、無污染的優(yōu)點(diǎn)，一直是油菜秸稈資源化研究的熱點(diǎn)，而微生物在生物處理法中起重要作用。本文主要綜述了微生物在油菜秸稈資源化中的應(yīng)用研究進(jìn)展。

1 油菜秸稈成分特征

由于油菜的種類以及栽種地域不同，油菜秸稈間成分存在部分差異。油菜秸稈的主要成分是粗纖維，占 40% ～ 51%（Abreu 等，1998）。 與大豆、玉米、小麥秸稈相比，油菜秸稈粗蛋白質(zhì)較高，營養(yǎng)物質(zhì)豐富，是良好的動物飼料（烏蘭等，2010）。同時(shí)，油菜秸稈不同部位化學(xué)成分也有差異，桿部的纖維素含量一般較高，而穗部半纖維素和木質(zhì)素含量較高（趙蒙蒙等，2011）。 Petersson 等（2007）比較了油菜、冬黑麥和蠶豆秸稈的化學(xué)成分，發(fā)現(xiàn)油菜秸稈葡聚糖、木聚糖、木質(zhì)素和灰分含量較高，分別達(dá)到干重的27.3%、15%、14.2%和9.6%?？傮w來說油菜秸稈營養(yǎng)豐富，具有巨大的資源潛力。

2 微生物在油菜秸稈中的應(yīng)用

2.1 微生物降解油菜秸稈 微生物降解油菜秸稈主要依靠其自身分泌的各種功能酶如纖維素酶、木質(zhì)素酶等完成（蘭曉玲等，2013）。由于秸稈中纖維素、木質(zhì)素和半纖維素相互緊緊包裹使得酶難以接近，通常在微生物處理前需要配合一定的化學(xué)或物理預(yù)處理技術(shù)。目前已篩選得到油菜秸稈降解菌主要有霉菌、放線菌、芽孢桿菌等（張輝等，2011）。油菜秸稈降解菌常見為纖維素降解菌、木質(zhì)素降解菌等。Tuyen等（2013）利用白腐真菌發(fā)酵油菜秸稈，20 d時(shí)木質(zhì)素降解率達(dá)58.07%，發(fā)酵玉米稈和稻草時(shí)木質(zhì)素的降解率為16.3%和64.1%。陳麗園等（2007）從還田處理30 d的油菜秸稈中得到一株分解纖維素能力較強(qiáng)的菌株，發(fā)酵第10天CMC酶活達(dá)到最大為1064.88U/mL。以上均為單菌降解油菜秸稈研究，但油菜秸稈成分復(fù)雜，分解過程通常需要多種酶共同完成，而單一菌種分泌的酶系往往不全，因此可利用多菌株混合培養(yǎng)發(fā)酵，增加降解效率。陳朝瓊等（2011）從腐爛秸稈土壤中篩得降解油菜秸稈的優(yōu)勢菌群，其纖維素酶活性達(dá)924 U/mL，發(fā)酵油菜秸稈14 d后秸稈、纖維素、木質(zhì)素降解率分別為71%、82%、53%。郭豪等（2013）將篩得的芽孢桿菌、鏈霉菌、米根霉和木霉制成混合菌劑并發(fā)酵油菜秸稈14 d后秸稈、纖維素和半纖維素降解率分別為28.3%、33.1%和23.7%，與市售腐熟劑的處理效果相當(dāng)。

表1 不同品種油菜秸稈化學(xué)成分表

2.2 生物乙醇和生物丁醇發(fā)酵 油菜秸稈化學(xué)成分中一半是纖維素和半纖維素，將大分子纖維素和半纖維素降解為小分子六碳糖和五碳糖，可作為廉價(jià)底物發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇、丁醇等 （覃央央，2017）。通常發(fā)酵油菜秸稈生產(chǎn)乙醇的菌種為酵母菌，例如雷韜（2016）利用K氏酵母發(fā)酵乙醇時(shí)，酒精產(chǎn)率為9.7701%，與理論值相差0.57%。油菜秸稈的預(yù)處理技術(shù)是發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的關(guān)鍵，如果秸稈預(yù)處理后還含有部分大分子物質(zhì)，可以采用酵母菌結(jié)合曲霉共同發(fā)酵 （杜蘇萌等，2012；Yu 等，2009）。 為提高發(fā)酵效率，李文（2014）將酵母菌固定化后用于乙醇發(fā)酵，120 h后乙醇濃度為28.94 g/L，乙醇產(chǎn)率為76%。覃央央（2017）將油菜秸稈用食鹽水漂洗后再烘干粉碎，放入微波反應(yīng)器加入糖化液糖化后接入丙酮丁醇梭菌發(fā)酵能夠生產(chǎn)丁醇，丁醇得率為66%左右。田磊（2015）利用玉米秸稈發(fā)酵產(chǎn)丁醇，在經(jīng)過抑制劑脫除后丁醇產(chǎn)量為10.8 g/L。胡金峰（2014）利用蔗渣生物發(fā)酵產(chǎn)丁醇時(shí)脫毒后丁醇濃度能達(dá)12 g/L。這些研究為油菜秸稈轉(zhuǎn)化為生物燃料提供了理論支撐。

2.3 生物質(zhì)能源 沼氣作為能源具有熱值高、能量轉(zhuǎn)化率高和污染小等特點(diǎn)（高鑫，2013）。白娜等（2011）將油菜秸稈僅經(jīng)簡單粉碎處理后進(jìn)行沼氣發(fā)酵，發(fā)現(xiàn)油菜秸稈的產(chǎn)氣潛力為0.47 L/g。羅義軒等（2013）將豌豆、高粱、蠶豆和油菜四種秸稈接種厭氧污泥在35℃恒溫發(fā)酵時(shí)，油菜秸稈總產(chǎn)氣量為1303.5 mL，僅次于豌豆秸稈，油菜秸稈產(chǎn)氣率為191.7 mL/g。油菜秸稈產(chǎn)氣速率較慢，可能與油菜秸稈木質(zhì)素含量較高有關(guān)，但其產(chǎn)氣總量可觀，可以作為產(chǎn)沼氣原料。羅彬等（2014）利用纖維素分解產(chǎn)甲烷菌群在CSTR厭氧反應(yīng)器中分解油菜秸稈41 d，厭氧消化產(chǎn)甲烷時(shí)，能產(chǎn)生大量的沼氣，50 g干秸稈能產(chǎn)氣13200 mL，產(chǎn)氣效率達(dá)264 mL/g。孫全平等（2014）利用油菜秸稈厭氧發(fā)酵日產(chǎn)氣量最高達(dá)4.25 L/d，最高累積產(chǎn)氣量達(dá)70.665 L，產(chǎn)氣潛力達(dá)到0.37 L/g。

2.4 油菜秸稈飼料 油菜秸稈木質(zhì)化程度高、秸稈粗硬、適口性差，動物直接采食難度大（Ramirezbribiesca等，2011）。 目前可通過氨化、復(fù)合青貯、微貯等方式提高油菜秸稈的營養(yǎng)價(jià)值和適口性。孟春花等 （2016）將粉碎的油菜秸稈用30%的水和不同比例的碳酸氫銨進(jìn)行氨化處理時(shí)，氨化21 d后的秸稈粗蛋白質(zhì)增加2倍以上，粗脂肪下降70%，中性洗滌纖維和酸性洗滌纖維下降10%以上。陳麗園等（2010）比較了改良氨化、混合青貯、商業(yè)微貯劑和自篩菌株發(fā)酵對油菜秸稈纖維素降解效果，發(fā)現(xiàn)混合青貯的纖維素降解率最高，為84.50%，結(jié)合混合青貯和改良氨化處理后得到的秸稈飼料能夠代替山羊20%的日糧。才旦等（2006）將油菜秸稈制成草粉與菌粉混合在塑料袋中進(jìn)行發(fā)酵，最終油菜秸稈粗蛋白質(zhì)提高了33.15%，粗脂肪下降了38.31%，可用此油菜秸稈替代30%的飼料飼喂豬，顯著降低飼養(yǎng)成本。另外，油菜秸稈可以直接粉碎后與其他植物混合發(fā)酵，油菜秸稈與皇竹草按3∶7混合，添加150 mg/kg乳酸糞球菌進(jìn)行混合青貯后，可顯著提高飼料的干物質(zhì)、有機(jī)物質(zhì)、粗蛋白質(zhì)、中洗纖維和酸洗纖維的消化率，促進(jìn)錦江黃牛生長和生產(chǎn)性能 （許蘭嬌等，2016）。由于油菜秸稈成分復(fù)雜、木質(zhì)素含量高等，發(fā)酵飼料采食過程容易染菌造成二次污染，若要大面積推廣還需進(jìn)一步深入研究。

2.5 腐熟還田 腐熟還田是一種較為簡易可行的油菜秸稈處理方式。油菜秸稈中富含氮、磷、鉀等元素，腐熟還田后能提高土壤肥力，改善土壤和農(nóng)田系統(tǒng)，具有減少化肥使用和提高農(nóng)作物產(chǎn)量的作用（王旭等，2016）。油菜秸稈由于纖維素含量高，自然分解過程耗時(shí)較長，需要加入多種微生物混合的腐熟劑才能加速腐熟進(jìn)度（Blazier等，2008）。不同腐熟劑對油菜秸稈腐熟效果不同，腐熟10 d后腐解效果相差最大為34.49%，說明腐熟劑能使秸稈快速腐熟，縮短腐解時(shí)間，提高秸稈的利用率（柳玲玲等，2014）。使用復(fù)合菌劑腐熟并還田處理能降低土壤pH和容重，提高有機(jī)質(zhì)和全氮含量，增加土壤養(yǎng)分，油菜產(chǎn)量能提高5.33%（呂黎等，2014）。油菜秸稈的腐熟還與其所處位置相關(guān)，油菜秸稈在表層腐解最快，地下10 cm時(shí)最慢，地下20 cm時(shí)居中。地表微生物種類多、活動頻繁且夏季地表溫度高，所以地表腐解最快（胡宏詳?shù)龋?012）。

2.6 堆肥 堆肥是指利用自然界廣泛存在的微生物，人為的將有機(jī)物生物降解為穩(wěn)定的腐殖質(zhì)的過程，是一種使固體廢料無害化、資源化的方法。施用油菜秸稈堆肥不僅能促進(jìn)水稻生長、提高產(chǎn)量（增產(chǎn)產(chǎn)幅達(dá)4.7% ～18.2%），還能調(diào)節(jié)土壤酸堿度，促進(jìn)pH較低的水稻土中養(yǎng)分釋放和養(yǎng)分平衡（汪根法，2012）。由于堆肥制作時(shí)惡臭難聞且伴有污水產(chǎn)生，目前利用油菜秸稈制作堆肥的主要研究方向在縮短堆肥堆制時(shí)間和加快腐熟進(jìn)度。汪季濤等（2006）確定油菜秸稈堆肥發(fā)酵條件即粒徑長度為5 cm，C/N比值為25，含水量為70%，氮源為雞糞。堆肥中常見微生物包括細(xì)菌、酵母菌和纖維素分解菌等，其中細(xì)菌是堆肥中的主要微生物菌群。研究發(fā)現(xiàn)在堆肥中引入嗜溫細(xì)菌、嗜溫放線菌、高溫酵母菌和分解纖維素的霉菌，可以有效加快堆肥腐熟進(jìn)度（蘭時(shí)樂等，2010）。

2.7 食用菌栽培 油菜秸稈用于食用菌栽培既能減少秸稈的浪費(fèi)，又能降低食用菌的栽培成本，是一種具有較好經(jīng)濟(jì)效益的處理方式。目前利用油菜秸稈栽培食用菌的研究主要集中在平菇、金針菇、蟹味菇、草菇和香菇等（宋海燕等，2015；丁倫保，2014）。栽培食用菌的關(guān)鍵技術(shù)是油菜秸稈與其他配料的配比。油菜秸稈可與棉籽殼混合栽培平菇，油菜秸稈組織疏松能增加培養(yǎng)料的通氣性能，可加快平菇菌絲的生長。熊維全等（2010）發(fā)現(xiàn)，油菜秸稈的最大添加量為36%，超過36%后出菇時(shí)間延長，產(chǎn)量、外觀均比對照組差。油菜秸稈還可替代棉籽殼栽培糙皮側(cè)耳菌，40%的油菜秸稈替代棉籽殼可促進(jìn)菌絲生長且不影響子實(shí)體生長和產(chǎn)量（杜靜等，2015）。

3 展望

當(dāng)前我國油菜秸稈的資源化利用還不夠充分，大量的油菜秸稈仍然被焚燒或自然丟棄，造成環(huán)境污染和浪費(fèi)。油菜秸稈資源化利用方式較多，微生物處理法與化學(xué)和物理方法相比具有投入少、操作簡單和無污染等優(yōu)點(diǎn)。目前大量油菜秸稈降解菌株已經(jīng)被篩選、鑒定，并用到實(shí)際發(fā)酵過程。這類微生物主要是芽孢桿菌、木霉、白腐菌等。由于纖維素、木質(zhì)素和半纖維素的鑲嵌結(jié)構(gòu)，使得降解前的預(yù)處理技術(shù)變得極為關(guān)鍵 （盧光新，2012）。多菌株混菌發(fā)酵降解效果一般要優(yōu)于單菌發(fā)酵。油菜秸稈是一種具有巨大潛能的生物質(zhì)原料，利用其水解產(chǎn)物為底物生產(chǎn)生物乙醇或丁醇的主要技術(shù)關(guān)鍵在秸稈預(yù)處理以及解除秸稈水解液中存在的化學(xué)物對發(fā)酵過程的抑制（岳耀峰，2010）。秸稈飼料應(yīng)用時(shí)應(yīng)注重發(fā)酵產(chǎn)物的飼喂安全性，同時(shí)也要注意飼喂的便宜性，減少由于取料帶來的二次發(fā)酵。秸稈腐熟和堆肥這方面研究實(shí)踐較多，應(yīng)注重提高經(jīng)濟(jì)效益，縮短發(fā)酵時(shí)間。食用菌栽培利用要研究適宜的配比，注重減少染菌。

雖然目前油菜秸稈資源化仍然存在很多問題，如利用率低、經(jīng)濟(jì)效益低、農(nóng)戶對油菜秸稈資源利用意識不強(qiáng)等。同時(shí)油菜秸稈收集較困難，人工收集效率較低，機(jī)械收集花費(fèi)較高，使得秸稈被焚燒或丟棄（彭春艷等，2014）。微生物在油菜秸稈資源化中展現(xiàn)出極大優(yōu)勢和潛力，對解決秸稈過剩帶來的各種問題具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。隨著微生物技術(shù)如代謝工程、酶工程、合成生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展，油菜秸稈的可持續(xù)資源化利用也將逐步完善，為我國農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)、環(huán)境保護(hù)等方面做出積極貢獻(xiàn)。